基于MATLAB/SIMULINK的变压器比率制动式纵差保护仿真

三峡大学电气与新能源学院 李鑫燕

国网湖北省电力公司检修公司宜昌运维分部 田慧雯

引言

常见的变压器故障有相间短路、接地短路、绕组匝间短路等。针对这些故障，电力变压器通常装设作为非电量保护的瓦斯保护和作为电量保护的纵差保护[1,2]。变压器比率制动式纵差保护原理简单，且不需要其他元件的配合，可以实现无延时切除区内故障，因此为变压器保护所青睐，常常作为变压器保护的主保护。

1.变压器比率制动式差动保护原理

本文借用单相变压器说明变压器比率制动式差动保护工作原理。假设电流参考方向取母线指向线路为正方向，流入差动继电器KD的差动电流为，差动保护动作判据为，即当差动电流有效值Ir（）大于等于纵差动保护动作电流Iset时，保护动作，跳开变压器两侧短路器；否则保护不动。对于拥有制动特性的差动保护而言，其动作电流Iset不再按照躲过最大穿越电流整定，而是根据制动电流Ires自动调整。

本文选用变压器两侧（M、N侧）平均电流作为制动电流（制动系数取1），则：

正常运行或区外故障时，制动电流大于差动电流，保护制动，不动作；当变压器区内故障时，差动电流小于差动电流，保护可靠动作。

2.基于Matlab/Simulink的变压器比率制动式纵差保护仿真模型

图1 基于Matlab/Simulink的变压器比率制动式纵差保护仿真模型

基于Matlab/Simulink的变压器比率制动式纵差保护仿真模型如图1所示，主要由三相变压器模块（Three-Phase Transformer）、三相电压电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）、三相断路器模块（Three-Phase Fault）、三相电源模块（Three-Phase Source）、三相负荷模块（Three-Phase Parallel RLC Load）、比率制动式纵差动控制模块（kcontrol）、三相断路器控制模块（SFunction）组成。其中三相电压电流测量模块负责测流经变压器两侧（M、N侧）工作电流；三相断路器控制模块负责形成断路器控制信号，开断断路器；三相故障模块用于设置区内外故障。

3.基于Matlab/Simulink的比率制动纵差保护模型

本文采用具有制动特性的纵差保护，制动系数取1。以a相为例说明，a相差动电流为M、N侧电流向量差（参考方向为负荷流量方向），即；a相制动电流为M、N侧电流和，即：

其中，K等于0，若考虑变压器空载或低负荷运行时励磁涌流的影响，K可以取大于0的相应实数。

3.1 基于Matlab/Simulink的比率制动式纵差控制模块

根据上述动作条件，比率制动式纵差控制模块如图2所示：

图2 基于Matlab/Simulink的比率制动式纵差控制模块

本文制动系数取1，则增益K2取1。此外，比率制动式纵差保护动作条件只跟差动电流和制动电流差值的幅值有关，与其相位无关，因此此处用Fourier模块提取幅值。

3.2 基于Matlab/Simulink的三相断路器控制模块

根据可控三相断路器控制特性可知，当控制端输入为1时，断路器闭合；当控制端输入为0时，断路器断开。即当变压器比率差动控制模块输出为正值时，意味差动电流大于制动电流，则断路器控制端输入值应为1；反之断路器控制端输入值应为0。由SFunction模块建立三相断路器控制模块。

4.仿真

图3 变压器故障示意图

图4 (a) 正常运行

图4 (b) 区内故障

图4 (c) 区外故障

利用Matlab/Simulink软件进行仿真，变压器故障设置如图3所示。其中变压器采用“饱和铁心”双绕组三相变压器，额定有功功率取50MVA，频率50Hz，一、二次侧等值阻抗取。电源相电压取35kV，频率50Hz。电源采用无穷大电源。分别设置三相故障模块1、三相故障模块2用于模拟变压器区内故障和区外故障。并对以下情况进行仿真：

（1）正常运行，即双绕组变压器区内外均无故障；

（2）双绕组变压器0.5s时在k1位置发生区内短路故障；

（3）双绕组变压器0.5s时在k2位置发生区内短路故障；

仿真结果分别如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。

5.结论

本文根据变压器比率制动式纵差保护工作原理，建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型，该模型通过比率制动式纵差控制模块和三相断路器控制模块，实现比率制动式纵差保护动作条件是否满足的时时判断和短路器控制参数的时时输出。由仿真结果图4可知，该模型既可以正确反应变压器区内故障，实现内部故障的准确切除；又可以实现外部故障的制动，满足变压器主保护要求。

[1]张保会,尹项根.电力系统继电保护(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2009.12.

[2]于群,曹娜.电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2011.5.